장수배터리를 만들어보자 - 제2편 (제작편)

- 방전률이 높은 리튬 배터리를 이용하는 작업은 화재, 폭발의 위험이 있습니다. 충분한 지식을 가지고 있더라도, 잠깐의 부주의로 화재, 부상, 사망 사고등이 발생할 수 있습니다. 사고는 본인의 책임입니다. 

 1. 배터리 케이스 제작

재료는 구매했지만 운송중(대략 배송까지 2주 걸림)이라서 케이스를 먼저 만들었다. 어차피 케이스의 가로 및 세로 최대 크기는 정해져 있는 터라 높이 정도만을 고민했다.  애초에 배터리셀을 그냥 구매한 것이 아니다.  미리 시뮬레이션을 해서 200mm X 160mm 정도의 공간에 들어갈 수 있는 상황으로 배터리셀을 구매하였다. 

배터리셀이 도착하기전에 처음 장벽은 세로의 길이였다. 

배터리 셀은 4 X 4 형태로 배치 하려고 하는데, 케이스를 합판으로 만드는데 합판 두께가 5mm 정도 된다는 것을 생각하지 못하고 있었다. 배터리셀의 지름이 40mm인데 이걸 연속으로 붙이면 이미 160mm가되고, 양쪽에 5mm 합판을 대면 총 170mm가 되는 상황이었다. 전동휠체어가 근처에 있다면 다시 공간을 확인해 보겠지만 편도 3시간 거리에 있는 어머님댁에 갈수도 없는 상황이라 16cm이내로 만들어야 했다.

[고민의 흔적 ]

처음에는 비스듬하게 내부에 꼽아 넣는 방법을 고민해 보았으나 이때는 가로 길이가 또 문제가 될것 같았다. 결국 지그재그(위의 사진에서는 왼쪽 부분)로 배치하면 필요한 치수가 나오는 것으로 계산되었다.

배터리 케이스는 합판으로 만들었다. 사실 합판 가격도 만만치 않다. 치수를 적어서 보내면 꽤 정확하게 재단까지해서 주지만 18T 정도만 되어도 가격이 만만치가 않다. 내가 자주 사용하는 방법은 합판 쪼가리들을 박스 단위로 구매하고 이 조각들을 붙여서 사용한다. 이번에도 4박스 주문했다. 박스 내부에는 다양한 크기와 다양한 두께의 합판 조각이 존재한다. 크기는 최대로 큰 것이 내 손바닥 두개 합친 정도이다.

일단 필요한 크기가 되도록 목공용 접착제로 붙였다. 바닥판은 18T, 옆면들은 5T로 준비하였다. 바닥이 힘을 많이 받을것 같아서 두꺼운 것을 쓰기도 하였지만, 옆면들은 배터리가 들어갈 자리를 고려한다면 두꺼운 합판을 사용할 수가 없었다.

필요한 크기보다 크게 붙여서 만들고, 다시 필요한 크기로 재단하였다. 케이스의 한번이 대부분 2조각 이상 붙여서 만들었다. (음 언젠가는 원장을 사서 잘라서 쓸 날이 오면 좋겠다.)

각각의 파트를 접착제를 바르고  붙인 후에 피스로 고정하였다. 

재단을 잘 했다고 생각했으나 생각보다 오차가 있었고, 또 중간 중간 이어 붙인 부분이 문제가 되었다. 5T 합판의 경우 접착면이 좁아서 생각보다 잘 붙어 있지는 않았다.  어렵게 어렵게 윗 뚜껑을 제외하고 만들었다. 

처음에는 뚜껑도 피스로 고정할까 생각을 했었지만, 아무래도 향후 유지보수를 위해서는 쉽게 탈착이 가능해야 할 것 같아서 그냥 밀어 넣는 형태로 기획하였다. 밀어 넣었다가 빼기 쉽게 손잡이를 끈으로 만들었다. 

[ 뚜껑의 앞면 ]

[ 뚜껑의 뒷면 ]

실제로 장착을 한다면 아래의 모습이 된다.

[ 합체 완료 ]

배터리 케이스는 위에 사진에는 1개이지만 실제로는 2개를 제작하였다. 

전동 휠체어는 어느 정도 물기에 노출되어 있는 상태인데, 배터리 케이스가 나무 재질로 만들어진 터라 아무래도 방수 처리를 해야 할 것 같았다. 이것 저것 고민해 보았지만 그냥 락카를 칠하는 것이 좋을듯 하여 주말 외부에 나가서 바닥에 신문지를 깔고 칠했다. 또한 시간을 들여서 두번씩 칠했다. (한번 칠하고 핸드폰으로 게임하다가, 마른 후에 다시 칠하고 게임하다가 집으로 들고 들어왔다. )

[ f락카칠 완료 ]

집에 돌아온후 +, - 관련해서 라벨을 만들어서 붙였다.

2. 배터리셀 결합

4S4P 형태로 결합하는 것이 어려운 것은 아니다. 특별히 배터리셀 구매당시 버스바를 같이 배송해줘서 이걸 이용하였다. 버스바의 갯수가 부족해서 나중에 추가 구매한 것이 함정이긴 하다.

평상시에는 무거워서 바닥에 두었단 배터리팩 1개 분량의 셀을 책상위로 올렸다. 

배터리셀이 1개당 0.5KG정도 된다. 16개면 대략 8 ~ 9KG 정도될듯 하다.  그후에 개별 포장되어 있는 종이박스에서 하나 하나 꺼냈다. 꺼내다 보니 자꾸 옆으로 굴러가서 클램프로 벽을 만들었다. 

[ 클램프벽 ? ]

일자로 배터리셀을 결합하는 것은 쉽지만, 지그재그로 결합하는 것은 그렇게 쉽지 않았다. 

[ 4개씩 병렬 ]

한가지 팁은 처음 부터 너트를 꽉조이지 말고 살금 살금 조여서 각도를 맞춘 다음에 꽉 조이면 된다. 하지만 대부분 다시 풀었다가 조여야 하기 때문에 너무 무리를 해서 조일 필요는 없다. 각 4개씩 병렬로 연결한다.  

위의 사진에서 보면 두 종류의 버스바(Busbar)색상이 있는데, 은색은 배터리 셀을 구매할때 함께 배송된  것이며, 구리색은 나중에 모자라서 20개 정도 더 구매한 것이다. 

그 후에 직렬로 연결한다.

[ 이번엔 직렬 ]

4S 4P 연결 이라는 마치 전문 용어를 이야기 하는 것 같지만 실제로는 간단한 연결이다. 4개씩 병렬로 연결한 4묶음을 직렬로 연결한다는 뜻이다. 

[ 4S 2P, 4S 3P, 4S 4P 결선도 ]

연결한 다음에는 절연이 아닌 형태 유지를 위해서 내열 테이프를 감아주었다. 

[ 내열 테이브로 칭칭 ]

그리고 무게가 무게 인지라 케이스에 넣고 빼기가 용이하게 하기 위하여 끈으로 손잡이를 만들었다. 

[ 대충 묶은 끈 손잡이 ]

일단 여기까지 만든 다음 몇일을 대기하였다. 대기한 이유는 BMS를 처음에는 연결할 생각이 없었으나 실제 충전테스트를 해보니 BMS가 없는 경우에는 셀 벨런싱이 아주 엉망이 되어 버리는 것을 발견하였기 때문이다. 결국 BMS를 주문하였고 배송되는데 일주일 이상 걸렸기 때문이다.

3. BMS 결합

연결에 특별히 어려운점이 없는 터라 아래의 그림대로 연결하면 된다.

(배터리팩 제작후 약 2주후에 이 글을 작성중인데 사진을 찾아보니 없다. ㅠㅠ)

배터리 묶음 위쪽에 BMS를 놓고 각각 필요한 부분을 연결하였다. 위의 사진에서 보는대로 연결하면 된다. 어디 동영상등의 설명을 보면 0V, 3.2V, 6.4V, 9.6V, 12.8V의 순서로 전선을 연결하라고 하는데 의미가 있는지 모르겠다. 보수를 위해서 밸런싱 충전용 전선을 뗄때는 이 순서의 역순으로 떼지는 않기 때문이다. (뭐. 그래도 낮은 전압 순서로 연결해달라고 그랬으니 그렇게 했다.)

다 연결하고 나서 다시 내열 테이프로 BMS를 칭칭 감았다. 그리고 배터리와 붙여놓고 다시 내열테이프를 붙여서 고정했다. 

[ BMS 장착 ]

[ 지금은 충전중 ]

내가 가지고 있는 장비로는 14.4V로 최대 10A 정도로 충전 가능한데, 12.6V인 위의 배터리 팩을 4시간 정도 걸려서 14.4V로 만들었다. 대략 30Ah 충전했다고 치면 충전전 65%정도의 상태 였을듯 하다. 

일단 만충 상태를 만들고 케이스에 담았다. 그리고 끝자락의 터니날은 쇼트를 방지하기 위하여 테이프로 잠시 봉인을 했다. 

[ 왼쪽은 제작 완료, 오른쪽은 제작중 ]

이렇게 두세트를 한달 넘게 걸려서 만들었다. 오래 걸린 이유는 재료 조달 부분이다. 처음 생각한 것은 한번에 필요한 모든 것을 구매하는 것이었는데, 제작하다보니 3회에 걸쳐서 구매하는 형태가 되었다. 

4. 끝으로

대략 한달 정도의 여정으로 '장수배터리' 2개를 제작완료 하였고, 주말에 어머님을 뵈러 이동하였다. 마음이 들떠서 그런지 토요일 아침일찍 일어나서 출발하였고, 두시간 반이 걸려서 9시 쯤에 어머님댁에 도착하였다. 

들뜬 마음으로 작업을 해서 그런지 사진 한장 찍지 않았다. 제작한 배터리팩은 실제 배터리보다 가로, 세로 방향은 살짝 작았으며, 높이는 더 컸다. 장착하는데 큰 문제는 없었다. 다만 높이가 커진 상황이라 전동휠체어 상판 정도가 살짝 뜨긴했지만, 운행에는 큰 문제가 없엇다. 

배터리 장착후에 1차 적으로 20분 정도 운행해 보았다. 그 후에 BMS의 발열 상태를 검사 했는데, 미열도 발생하지 않았다. 마감처리 하고 장거리 운행에 나섰다. 보통 어머님이 운행하시는 거리의 약 3배를 운행해 보았다. 이 거리를 이동했는데 출력이 떨어지지 않았다. 

그 후에 밤사이 충전을 테스트 하였고, 큰 문제 없이 충전이 완료되었다.

- 방전률이 높은 리튬 배터리를 이용하는 작업은 화재, 폭발의 위험이 있습니다. 충분한 지식을 가지고 있더라도, 잠깐의 부주의로 화재, 부상, 사망 사고등이 발생할 수 있습니다. 사고는 본인의 책임입니다. 

설계하는 부분이 궁금하다면 아래의 링크를 살펴보자.

[장수배터리를 만들어 보자 - 설계편 ]